基于西门子PLC铸坯自动切割系统Word文档格式.docx
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7通讯排障机器人的扩展………………………………………………………………18
7.1思路介绍……………………………………………………………………………19
8通讯排障机器人个部位介绍及其运动分析…………………………………………20
8.1履带…………………………………………………………………………………20
8.1.1履带稳定性分析…………………………………………………………………21
8.2后背储存箱…………………………………………………………………………23
8.3空降设备……………………………………………………………………………24
8.4雷达装置……………………………………………………………………………25
8.4.1雷达支架气动部分设计…………………………………………………………25
8.5小型遥控探索机器人………………………………………………………………27
8.5.1小型遥控探索机器人力学分析…………………………………………………28
结束语………………………………………………………………………………31
致谢……………………………………………………………………………………32
1引言
随着地球进入地球板壳的活跃期和人类对环境的肆意破坏。
现在世界上各种各样的灾难越来越多，发生频率也越来越高，地震、海啸、雪灾、火山爆发等等灾难也频频发生。
当灾难来临时候，通常会对灾区产生许许多多的破坏，就拿地震来说，当地震发生后，房屋的倒塌，地面的开裂。
还有供电设备、通讯设备、等被破坏。
食品问题，卫生问题，救援问题，通讯问题，等等问题困扰着人们。
因此人们想尽办法，想让救援变得更加快速、更加准确、更加科学、更加有效。
但是要做到这些，就要必须保障信息之间的互相传送的顺畅，因为这样能及时了解灾区受灾情况和灾区还需要一定的电力，才能保证医疗等设备的正常运作。
摘要就因为有了这些所需要克服的困难，我们所构想的通讯排障机器人从此就产生了。
它能给灾区提供信号，保证通话和数据信息的传输，它还具有太阳能发电功能，能给灾区在夜间进行照明，并且提供电力，而我设计的通讯排障机器人扩展模块，对通讯排障机器人进行了改良，它可以进行远距离空投，还具有小型生命探测机器人，还能进行地面的勘察。
关键词灾难救援通讯电力供应机器人
1．1慧鱼组合模型简介
“慧鱼组合模型”（Fischertechnik），又简称“慧鱼”，是由德国发明家ArthurFischer博士在1964年从其专利“六面拼接体”的基础上发明的。
它由各种型号和规格的零件构成，类似于积木。
零件的种类很多，几乎包括了机械课程和日常生活中的所有零件，如机械零件：
连杆、凸轮、齿轮（普通齿轮、锥齿轮、斜齿轮、内啮合齿轮、外啮合齿轮等）、蜗轮、蜗杆、螺杆、铰链、带、链条、轴（直轴和曲轴）、联轴器、弹簧、减速器、齿轮箱、车轮等；
电气零件：
直流电机、灯泡、电磁气阀、行程开关、传感器（光敏、热敏、磁敏、触敏）、可调直流变压器、电脑接口板、PLC接口板、红外线发射接收装置等；
气动零件：
储气罐、汽缸、活塞、气弯头、手动气阀、电磁气阀、气管等。
由这些零件的不同组合便可构造出各式各样的模型，这些模型主要可分为两大类：
技术组和机器人组。
技术组又包括传感器技术组、气动技术组、汽车技术组、太阳能技术组、万能组合包。
机器人组又包括3D机器人、计算机器人、实验机器人、工业机器人、移动机器人和气动机器人。
在慧鱼实验过程中，通过对各类模型的认识和组装，从而可以熟悉并掌握各类机械设备和自动化装置的常用结构和工作原理。
在模型的组建中，将运用到机械加工、气动技术、电子电路和软件编程等知识，从而加深了对这些相关课程的理解。
另外通过慧鱼模型的搭建和组装也培养了实际动手的能力、解决实际问题的能力和创新设计的能力。
慧鱼组合模型实验与传统实验比较与传统实验相比较，慧鱼组合模型实验主要具有如下几个特点：
1．实践性更强，提高动手能力
在传统实验里，主要是课程中的具体原理或理论的验证性实验，如机械原理中齿轮范成实验，主要是为了验证齿轮的加工原理；
再如机械设计中的带传动实验主要是为了验证带传动中的两个重要的现象——弹性滑动和打滑。
这些传统型实验更好的理解课本的理论知识有很大的帮助，具有课本结合性强的特点。
而在慧鱼组合模型里，主要是一些工程应用中的实际模型，与实际工程结合较为紧密，如在万能组合包中，有风扇、虎钳、机械式起重机和建筑式起重机等模型，这些模型都是日常生活中的实例，较为真实的“再现”了这些具体的设备或仪器。
这些模型的工作原理基本上都用到了书本中的理论知识，从中可以很清楚地看到理论与实际的具体结合，因此具有更强的实践性。
2．知识面更广，培养综合素质人才
而在慧鱼实验中，实验的内容涉及面极广，不仅包括传统机械相关的实验内容，而且还涉及到了能源（包括太阳能）、气动、遥控（如传感器技术）、自动控制（PLC控制、单片机控制）、软件编程（慧鱼公司自带的编辑软件LLWin3.01）等多学科的知识，最重要是它能够把这些很好地知识结合起来，并体现到某个模型中。
如在烘干机实验中，这个模型实验就是很好的模仿了公共场所的烘干机，当把手放到风扇出口处，风扇就会开始旋转，对手进行烘干；
当把手拿走时，风扇就停止旋转。
在这个实验中就用到了机械知识（机械的齿轮传动），自动控制知识（电路和传感器应用）和软件编程知识（控制软件的编制）。
通过慧鱼实验不仅能够掌握机械的主要知识，而且还可以了解到其他专业的基本知识，这样就拓宽了他们的视野和知识面，有利于培养出高素质的综合类人才。
3．创新性更高，增加研究性思维
如前所述，传统型的实验具有验证性的特点，更注重的是对已学理论知识的验证和理解，而且所涉及的内容主要是机械相关的内容，这样就大大的限制了学生的想象和创意的空间，不利于学生的创新能力的培养。
2救援机器项目的研究意义
在世界各地，由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事故等原因，灾难经常发生。
灾难过后，灾后７２小时是救援的关键时间。
救援界认为，在地震等自然灾害发生后，灾后最初的７２小时是能否成功解救被困人员的最佳时间。
在此时间段内，救活的存活概率极高。
而随着时间的推移，被压埋者体力透支、心情绝望，生存希望变得渺茫。
据统计，地震救援的最佳时间，应该是震后第一天，此后埋压人员的生还概率迅速下降。
如果越拖越后，到后面，除非出现奇迹，否则几乎没有生还希望。
而且对于我们中国来说，人口密集度大，加上现在的土地越来越少，现在的建筑物都开始往高里面建造，还有地下面也开使开发，地铁，地下商场，还有大型的商贸场所，文化娱乐中心这些的迅猛发展，城市里面的建筑物也不断的增加。
万一地震发生在城市的中心，后果不堪想象。
地震后存在易二次倒塌建筑物的现场，施救人员无法深入进行侦察或施救，人们急于探知灾难现场的内部险情，但又不敢或无法接近或进入灾难现场。
此时，救援机器人的参与可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡，它们不但能够帮助工作人员执行救援工作，而且能够代替工作人员执行搜救任务，在灾难救援中起着越来越重要的作用。
房屋倒塌，地面裂痕，救援人员在在这种紧急而危险的环境下，救灾机器人可以为救援人员提供帮助。
因此，将具有自主智能的救灾机器人用于危险和复杂的灾难环境下“搜索和营救”（SAR）幸存者，是机器人学中的一个新兴而富有挑战性的领域。
我国一些地方建筑由于利益的驱动，使建筑商所建筑的房子的抗震级素很低，质量问题很严重，不安全因素很多，万一地震了，火灾、煤气管道的泄露，很容易发生爆炸或者大火。
现在的灾害事故频繁发生，灾害事故危害严重，伤害人员多。
然而灾难发生的原因极为复杂，是偶然性和必然性的结合，各类灾害事故存在突发性、灾难性、破坏性和继发性特点。
因此，研究地震救灾新装备是一项紧迫任务。
有的地震发生后，灾区情况完全不清楚，里面通讯完全中断，要是现在救护人员无法进入危险区域，被埋人员有可能只能等着死神的来临了。
要是完全靠救援人员进行救援的话。
余震，救援人员体力不支，心理问题等一系列问题还会对救援人员造成伤害，撇开这些不说，救援人员也需要休息，不可能24小时不间断不停歇，不吃饭，不喝水的工作下去。
随着科技的发展，机器人将被应用到各种救灾领域。
救灾机器人利用自身的优点，能迅速找到被埋人员的位置，降低事故危害性，对提高救灾效率具有重大意义。
2.1城市地震救援面临的困难
城市搜索与救援这个概念脱胎于城市地震灾害紧急援救，包括定位，营救和对狭小空间中受灾者进行医疗急救。
目前，城市搜救工作已扩展到对山体滑坡、火山爆发、海啸以及恐怖主义袭击事件。
倒塌建筑物造成的生存空间非常狭小，以至于许多情况下搜索人员和搜索犬不能进入，使搜索范围限制在倒塌建筑物表面范围。
现在城市里面高楼大厦可谓是无处不见，要是地震了，高层建筑物的倒塌，人员被埋，在倒塌后，靠近外面的被困人员相对于被埋人员来说较容易的获救，而再废墟深处的人员就难以被救援人员发现并且去拯救他，但是在现在机器人人技术的诞生和技术的发展给人们带来了希望。
在2001年9月11日的时候，机器人在世贸中心袭击事件中的应用，取得了不错的效果。
图1SEA-RAI可在水上疾驰以检查受损的桥并渡运可发射的浮空机器人。
图2INUKTUNEXTEREME可穿越困难地形以向生还者发出双路音频。
图3CATERPILLAR可在瓦砾中蜿蜒行进，顶部带有摄像头可寻找生还者。
2.2救援队面临的困难
实践表明，在救援人员在现场实施救援过程中存在着许许多多的各种限制和困难例如：
1．当救援人员进入灾区倒塌的房屋废墟上，或者在废墟上搭建一些设备比如说传感器、支撑架，或者救援队员的体重和移动也可能会引起建筑物的进一步倒塌，因此救援队员必须在结构工程师进行评估之后才能进入。
在这次汶川大地震的时候，一个七层的学生公寓在完整的情况下，受到余震后发生倾倒，虽然建筑物结构完整，但建筑物也可能随时发生破坏，救援人员进入建筑物将有巨大风险。
此外，大型的教学楼由于楼层的叠状倒塌使救援工作更加困难。
救援人员只能通过表层进入建筑物，而这种倒塌限制救援队员进入底层部分，由于建筑物局部不嫩够支撑救援人员在建筑物上的活动，很有可能进行进一步的倒塌的危险。
而救援人员可能由于建筑物倒塌造成压埋，所以不稳定的倒塌结构需要经过支撑加固后，救援队员才能够安全进入。
这个过程又需要时间，而对于灾区来说时间就是生命！
2．救援人员无法进入狭窄和不稳定的建筑物。
由于人身体结构的因素，我们不能进入狭小的空间。
对那些被困人员也无法施救，就拿汶川地震来说，有些死着被复杂的建筑物给埋了，进去的空间非常狭小，不能对其施救，导致搜救犬发现被困人员后，救援人员无法对其施救，最后还是死在废墟之中。
3.由于需要进入的空间无光，或者自然光很弱，救援人员需要装备的帮助才行，像这样一些矿工头盔，可旋转的光学搜索仪等物品来搜救，这样以来救援人员很容易疲劳，一旦疲劳了就会使救援人员反映慢，有可能忽略了没有知觉的受困着[1]。
2.3机器人在救灾方面的优势
现在的机器人在城市救援和搜救中有很大的优势，随着现代机器人发展迅猛，机器人的技术也越来越成熟其优点主要表现在：
1．房子倒塌后，机器人可以立刻工作，可以马上对幸存者进行搜救，为搜救工作节约时间。
机器人是由电子仪器和其他材料制成的，具有可复制性，即使机器人发生意外，仍然可以制造出具有相同功能的机器人。
2．机器人它可以进入平常难以达到的空间。
能让搜救人员知道废墟下的情况，是不是值得去救援，建筑物倒塌后就会产生各种各样的空间，通过机器人进去后找出幸存者的位置，然后通过信号告知给地面人员，让地面人员可以知道幸存者位置，然后进行施救。
现在这种机器人已经有了，例如SHIGEOHIROSE研制出的一种三自由度的爬行机器人，他可以在弯曲的废墟中爬行，也能在平坦的路面爬行[2]。
图4机器人Souryu
3．机器人可以携带多种传感器，可以搭建在机器人身上，可以很方便的探测幸存者空间状况，在机器人软件的帮助下对搜索区域实行完整的三维搜索，绘制结构图，提高工作效率和可靠性。
搜救机器人可以携带温度探测器，探测人体温度，给机器人一个引导，在运用其他的探测，等配合后，经过分析后向救援人员提出意见和建议。
图5机器人测量脉搏
4．纽约世贸中心袭击事件中，机器人在搜救过程中发挥了很大的作用，在最初的10天里，机器人帮助纽约消防局和联邦紧急事件管理局小组找到了至少5位受灾者，这些受灾者都是机器人在人和搜救犬不能进入得空间找到的[3-4]。
3救灾机器人研究现状
近年来，特别是“9.11”事件以后，世界上许多国家开始从国家安全战略的角度研制出各种反恐防暴机器人、灾难救援机器人、工业机器人、等一些危险作业机器人用在了灾难的防护和救援上面。
同时现在救援机器人也有着潜在的应用背景和市场，一些公司也介入了救援机器人的研究与开发。
此外，一些机器人比赛也增加了机器人救援竞赛的比赛项目，比如说，这次我们参加的“第四届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组（2010）竞赛”为救援理论和技术提供仿真研究的试验平台。
目前，灾难救援机器人技术正从理论和试验研究开始慢慢的向大学生，向实际应用开始发展。
在灾难中和灾难的救援中，机器人作为一种有效的手段，将成为社会基础建设中不可缺少的部分。
4国内外的救援机器人研究现状
4.1日本
日本他是一个地震率非常高的一个国家。
它处于地球板块的活跃板块，日本在救援机器人方面开展了相对全面的工作。
自从日本有次，有名的阪神大地震开始后的十几年时间里面，日本在灾难援救防护方面已经形成了完备的国家体系。
这一点值得我们国家学习和借鉴，其实日本早在以前就确立了“大都市大震减灾特别计划”以研究如何尽量减少人、物等灾害损失为目的，研究地震防灾对策的理论科学和基本技术，进一步开发在地震中使用救援机器人，其中很多人很多单位参加了这个项目，包括，大学、公司还有国家机关等。
主要研究灾难中的机器人系统、传感技术、人类控制技术、和系统集成。
日本东京工业大学是最早从事救援机器人研究的的大学之一，他们从仿生学的角度和基于超机械系统的思想后研制了“ACM”“GENBU”“SOTYU”等多系类救援机器人样机，在仿生机械及灾难救援应用研究方面，有了卓越的研究成果。
图6为日本东京工业大学研制的部分机器人
图6日本东京工业大学研制的部分机器人图7多节履带
日本东京工业大学，还提出了一种新的救援机器人平台，如图7，这个机器人由多节履带车连接而成的，它能进入狭窄的空间，相邻单元之间由2个主动的自由度关节连接或3随动自由度关节连接[5]，具有很多好的越障能力和地面适应能力。
4.2美国
在“9.11”事件后，灾难救援机器人技术在美国日益受到重视。
“9。
11”事件的灾难现场救援认为是灾难救援机器人的第一次实际应用。
在纽约世界贸易中心受到恐怖袭击发生后的几个小时，美国“机器人辅助搜救中心”立即组织了一支由机器人专家和生产厂家技术人员构成的队伍，携带可以使用的机器人，赶赴世贸中心废墟现场，想救援部队，提供了技术支持，其中有图8的PACKBOT，图9的SOLEM
图8PACKBOT图9SOLEM
在美国。
多个高校的研究中心，国家研究机构和公司也同时进行了救援机器人的研究，南佛罗里达大学在乃救援机器人研究中心研制出图10所示的安装有医学传感器的救援机器人。
这种机器人底部采用可变形履带驱动具有较高的运动和探测能力，同时机器人能在灾难现场获取幸存者的生理信息和环境信息，并将其传送到外界。
图10安装有医学传感器的救援机器人
图11所示的救援机器人URBIE系列是美国DARPA高技术办公室支持的战术移动机器人计划中，有JPL\IROBT\CMU\USC多家单位共同研制的灾难救援机器人。
URBIE研制的初衷是用于城市的军用和警用，但是他童言能够用于城市灾难环境的探测和救援作业，特别是采用轮、腿、履带复合式的移动机构是机器人具有更强的运动能力。
图11救援机器人URBIE系列
4．3中国
在我国，一些专家学者也意识到了灾难救援等危险作业机器人技术研究的重要性，国内的许多高校和研究所在海难救援机器人、自主救援无人机和地面一定特种作业机器人等救援机器人技术方面开展了研究。
对灾难救援而言，在消防机器人研究方面已经取得了显著的成绩。
由公安部伤害消防研究所、上海交通大学、和伤害消防局三家单位共同承担的国家863项目图12“履带式、轮式消防灭火机器人”研制成功并顺利通过国家验收。
消防灭火机器人，是一种结合多种消防手段为一体的新型消防设备。
图12履带式、轮式消防灭火机器人
在836计划的资助下，中国科学院沈阳自动化研究所开展了多项危险作业和极限作业机器人研究，其中救援机器人是重要的一部分。
图13a为蛇形机器人样机，旨在用于非结构环境中探测和灾难救援作业。
该蛇形机器人可以根据地面状况采用蜿蜒、伸缩、侧移和翻滚等多种运动步态，在监控系统控制的无线控制下，具有一定的三维运动能力，并可通过安装在蛇头上的微型摄像头蒋现场图像传回监控系统。
图11沈阳自动化研究所研究的机器人
5机器人发展现状和趋势
从机器人技术的发展水平来看，机器人主要经历了简单的可编程机器人，低级智能机器人和高级智能机器人三代。
机器人有几个方面是我们有必要去发展的理由:
一个是机器人干人不愿意干的事，比如说从事，有毒的、有害的、高温的或危险的，把人从这样的危险的环境中解放出来，同时机器人可以干不好干的活，比方说在汽车生产线上我们看到工人天天拿着一百多公斤的焊钳，一天焊几千个点，就重复性的劳动，一方面他很累，但是产品的质量仍然很低；
另一方面机器人干人干不了的活，这也是非常重要的机器人发展的一个理由，比方说人们对太空的认识，人上不去的时候，叫机器人上天，上月球，以及到海洋，进入到人体的小机器人，以及在微观环境下，对原子分子进行搬迁的机器人，都是人们不可达的工作。
机器人有三个发展阶段，一种是第一代机器人，那么也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种从第一代机器人，也就存在它这种缺陷[6]。
因此，在20世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。
那么第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。
6通讯排障机器人设计思路
地震、雪灾、海啸灾难在世界范围内频频发生，还记得2008年5月12日14时28分04秒，8级强震猝然袭来，大地颤抖，山河移位，满目疮痍，生离死别……西南处，国有殇。
这是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最大的一次地震。
地震重创约50万平方公里的中国大地!
截至2009年5月25日10时，遇难69227人，受伤374643人，失踪17923人。
其中四川省68712名同胞遇难，17921名同胞失踪，共有5335名学生遇难或失踪。
直接经济损失达8451亿元。
这是中华人民共和国自建国以来影响最大的一次地震。
震级是自1950年8月15日西藏墨脱地震（8.5级）和2001年昆仑山大地震（8.1级）后的第三大地震，直接严重受灾地区达10万平方公里。
6.1通讯方面
有了这次惨烈的教训，我们应该在这次事件中吸取教训。
所以我们反思，地震这个是无法预测和分析出来的自然现象，但是我们能在地震过后进行救援这个方面动脑子，想办法，如何抓紧时间，如何更加快速，如何更加有效、科学的进行救援。
大地震发生以后，原本发挥主体作用的固定、移动电话，因为通信基础设施的损毁，已经彻底不能发挥作用。
但是，没有消息是最坏的消息。
灾情、救灾的各种消息对于各界都有非常重要的作用。
这次地震发生后，首先是通讯完全中断，救援的人们和关心里面灾情的人们还有受灾的人们完全没办法得知里面或者外面的情况，现在的人类要是失去了信息就等于是“瞎子”，其实这点和战争中的侦查很像，要是不知道里面情况也不能贸然前进，也不能分析出里面灾情的具体情况。
这次的汶川地震发生后，由于中国雷达卫星系统现在还不是很完善，“北斗七星”计划现在还没完全实施，这次的汶川地震受灾后的卫星地图还是靠美国的援助，提供卫星技术下显示的汶川地震后的全貌。
所以说信息是非常重要的东西，要是我们能保证通信的正常运作，灾区信号能畅通，就算是手机信号通畅也许还能少死些人……还能让救援部队知道被困在哪里。
一直到5月13日21∶06，汶川地震震中映秀镇，在与外部失去联系长达33个小时后，首次通过卫星电话向成都抗震救灾指挥中心汇报了当地灾情。
“卫星电话”这种原本“沉寂”的通信方式开始在抗震救灾工作中发挥起重要作用。
“不到关键时刻，不知道卫星通信有多么重要；
不到关键时刻，不知道我们的卫星保障系统有多么脆弱。
”北京邮电大学电信学院博士王凯亮说到。
在地震灾区抢救通讯设备，在冒着余震，落石，还是很危险的，就拿这次汶川地震来说，有一位中国移动成都通信建设工程局一处员工——刘建秋，“5。
12汶川特大地震灾害”发生前一直在阿坝州马尔康进行中国移动村通工程建设。
地震发生后，中国移动紧急动员，安排所有施工部门立即投入抢险救灾。
刘健秋所在抢险队共36名队员奉命赶赴灾区，在第一时间打通“马尔康——理县——汶川”重要通信光缆，恢复汶川对外联系。
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